基于动网格模型的人员走动对厨房流场影响研究

2023-07-12李慧星刘昕怡冯国会黄凯良

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2023年3期

李慧星,刘昕怡,冯国会,黄凯良,茹月

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁沈阳 110168)

为保证室内环境健康舒适,空气品质首先必须要得到保障[1-2]。厨房是居住空间内污染物散发最严重的区域[3-4],烹饪过程中,食材与食用油在高温烹调下产生颗粒物(PM)是危害室内人员身体健康的重要因素[5-6]。当前在厨房内空气污染研究中,常常将人员视为静止,忽略厨房内人员活动的影响。事实上,人员活动对流场范围内颗粒物浓度分布会产生相应的影响[7-9]。I.Goldasteh等[10]发现人员走动可造成地面颗粒物的再悬浮运动,增大室内颗粒物的再悬浮率和暴露程度。J .Wang等[11]通过实验发现在人走动过程中有尾流产生,人员周围流场速度局部增大,这有利于减少悬浮液滴总数。S.Mazumdar等[12]研究了步行访客、换床单、门摆动等移动物体对相对密闭的环境污染物浓度分布的影响。Y.Wu等[13]发现人的走动有利于室内污染物的扩散。H.Matsumoto等[14]移动物体可能对室内气流和污染物的传输有很大的影响,人员活动产生的尾流严重干扰气流组织,影响室内颗粒物的扩散,进而影响室内空气质量[15]。笔者基于计算流体动力学(CFD)通过改变烹饪人员走动速度研究人员走动对厨房流场的影响,为防止污染物扩散,改善厨房环境提供技术支持。

1 动网格原理

人员走动会导致人员位置发生变化,在计算每个时间步之前,需要重新计算厨房几何模型并以一定的规则对模型网格进行重新划分,需要引入动网格模型。

假定人员走动路径为直线,动态分层模型适用于移动方向为直线的结构化网格,在边界发生运动时,动网格区域随紧邻运动边界网格层高度的变化而变化,使网格尺寸在动态区域内保持不变,有利于保持网格的划分质量。采用动态分层模型对边界运动导致的网格变形进行更新划分更利于计算。当壁面一部分保持静止时,为简化计算步骤,节约计算成本,这部分独立出动态区域,只需在运动边界上采用动网格方法,并采用滑移网格连接。动网格守恒方程的积分形式[16]可以写成:

(1)

式中:ρ为密度;V为控制体体积;φ为通用标量;u为速度;ug为动网格速度;Γ为扩散系数;Sφ为源项;A为控制面面积;∂V为控制体积的边界。

2 颗粒物运动特性及数值模拟方法

2.1 气流的控制方法

重整化群(RNG)k-ε模型能更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动,在描述室内空气低速流动的模型中应用更加普遍。厨房烹饪过程中产生的热量传递显著影响颗粒物的输运过程,采用RNGk-ε模型更贴合实际情况。RNGk-ε模型的湍动能方程和耗散率计算方程:

(2)

(3)

(4)

式中:Gk为速度湍动能;Gb为浮力湍动能;YM为可脉动膨胀影响因素;C为经验常数。

2.2 离散相模型-基于拉格朗日方法下的固相求解

采用拉格朗日离散相模型,把空气相视为连续相,使用欧拉方法计算,将颗粒物视为离散相,且不考虑颗粒物对空气流造成的影响。假设:①空气和颗粒物之间的传热和传质可以忽略不计;②墙壁、地板、天花板等固体表面和人体表面没有颗粒反弹和再悬浮;③所有颗粒物都是球形固体。离散相模型中,以x方向为例说明颗粒物的受力平衡方程:

(5)

式中:up为速度,m/s;FD为流体曳力,N;ρp,ρg均为密度,kg/m3;Fx为其他外力,N。

运移过程中的速度:

(6)

类比可得y、z方向速度及其运动轨迹。

3 厨房人员走动数值分析

3.1 厨房及烹饪人员物理简化模型

住宅厨房模型如图1所示,厨房采用L型布局,长×宽×高=4.00 m×1.50 m×3.00 m;窗户宽×高为0.80 m×1.20 m ;门宽×高=0.9 m×2.00 m。

图1 住宅厨房几何模型Fig.1 Geometric model of residential kitchen

在模拟过程中,对人员模型进行简化处理。J.Wang[11]等采用长方体来模拟人员模型;S.B.Poussou[17]等认为将人员模型直接简化成等高的长方体所造成的误差在可控范围内,且此种方法的计算成本最低,因此,笔者将烹饪人员模拟为长方体模型,长×宽×高=0.30 m×0.20 m×1.65 m,站在距柜台0.20 m处。取高度1.5 m水平面作为分析平面,因为人员呼吸的空气主要来自该区域。

3.2 动网格划分

将模型通过Interface 表面划分为3个区域(见图2)。只对中间区域进行动态计算,减少了动态网格的数量,提高模型求解速度,节省计算时间[11]。

图2 网格区域划分示意图Fig.2 Schematic diagram of grid area division

3.3 模型步长选择

所采用的CFD模型是瞬态的,并将在时间步长Δt处及时推进。选择时间步长是为了使人体模型在Δt时间内所跨越的距离小于元素的大小,避免网格控制区域重叠,从而出现负的单元格区域。因此,时间步长设置为0.001 s,可以保证更新动态网格,并在运动时间内不会降低模型动态网格质量。

3.4 网格独立性验证

为提高模拟计算结果的可靠性,进行网格独立性验证。案例1,案例2,案例3分别对应网格数量为1 541 273、2 744 248和4 774 540的模型。对3种网格数量的案例进行数值模拟。在厨房模型中选取5个点:1(2.812 5,1.0,0.3)、2(2.812 5,1.1,0.3)、3(2.812 5,1.2,0.3)、4(2.812 5,1.3,0.3)、5(2.812 5,1.4,0.3)。图3为网格独立性验证结果,由图可以看出,由于案例2和案例3网格模拟得到的速度值和温度值误差小于5%,且案例2计算成本要小于案例3。因此,选择案例2的网格进行模拟,可保证网格数量的改变对模拟结果的影响最小。

图3 网格独立性验证Fig.3 Verification of grid independence

3.5 边界条件

结合日常经验,在厨房中人员最小步行速度为0.25 m/s,最大步行速度为1.00 m/s,假设人员走动的速度分别为0.5 m/s、0.7 m/s和1.0 m/s。

边界条件设置:窗户为补风入口,设为Pressure-inlet边界,静压为0 Pa;选取油烟机风机吸风口为排风出口,设为Velocity-outlet边界,取风管风速为3.0 m/s。锅面设为Velocity-inlet 边界,取油烟上浮速度为0.5 m/s,温度为210 ℃;其他壁面均设为绝热,所有壁面均为无渗透、无滑移。室内初始温度取夏季室内标准温度26 ℃。

颗粒相的设置:假定颗粒密度为 950 kg/m3,在第0秒喷射1万个粒子;考虑颗粒与流体的相互作用,设置排风口与窗户进口为Escape边界,其他面为都设置为捕获Trap 边界,烹饪时的锅具采用反弹Reflect 边界;同时考虑流体拽力、重力、Brownian 力以及 Saffman升力的影响。

4 结果分析

4.1 厨房人员走动轨迹

为简化模型,设定人员在厨房中作匀速直线走动。人员开始运动时以0.5 m/s的速度向左运动,2 s后以相同速度向右运动4 s,最后以相同速度向左运动返回初始位置,即第8 s末停止走动。具体运动路线如图4所示。

图4 厨房人员走动轨迹示意图Fig.4 Schematic diagram of kitchen staff′s walking path

4.2 厨房气流场分析

图5、图6和图7分别为分析平面在厨房人员不同走动速度下的气流速度云图。由图5可知,人员走动对厨房流场产生较大影响,t=0 s时人员保持静止,整个厨房的气流速度低于0.14 m/s;人员开始行走后,厨房速度场出现较为明显的速度变化和扰动现象,在人员走动方向的后方,气流速度最大可达到0.84 m/s,大于人员走动速度0.5 m/s,扰动区域随人员走动不断扩展,最大影响长度约为1.6 m;当人员停止走动后,整个厨房的气流速度在7 s内降至0.28 m/s以下,这意味着人员走对厨房内气流的影响短暂。对比t=15 s与t=0 s时的速度场,发现人员走动增大了厨房内的气流速度。人员走动对厨房油烟颗粒物散发扩散源附近的速度场影响较大,颗粒物扩散和排出明显受到人员走动的影响。

图5 人员走动速度为 0.5 m/s时分析平面气流速度云图Fig.5 Velocity cloud of the analysis plane when the walking speed is 0.5 m/s

图6 人员走动速度为 0.7 m/s时分析平面气流速度云图Fig.6 Velocity cloud of the analysis plane when the walking speed is 0.7 m/s

图7 人员走动速度为 1.0 m/s时分析平面气流速度云图Fig.7 Velocity cloud of the analysis plane when the walking speed is 1.0 m/s

由图5、图6和图7可以看出,当人员走动速度为0.5 m/s时,身体后方气流速度最大可增加0.34 m/s,并且人员走动可对身体两侧约0.05 m的区域气流造成影响;当人员走动速度为0.7 m/s时,身体后方气流速度可增加0.41 m/s,而人员走动速度为1.0 m/s时,身体后方气流速度最大可增加0.52 m/s,由于厨房面积相对狭小,人员走动对整个厨房空间内的气流造成影响很显著。通过对比可以发现,人员走动速度增加越大,对厨房空间内气流的扰动影响越明显。

4.3 颗粒物捕获分析

图8为人员走动速度分别在0.5 m/s、0.7 m/s、1.0 m/s时PM1.0、PM2.5及PM10被捕获所需的时间。在人员走动前6 s时间内不同粒径颗粒物被捕获率因走动速度的变化规律如表1所示。

表1 人员走动速度被捕获率影响情况Table 1 The effect of human walking speed on the capture rate of particles with different sizes in the first 6 s

图8 厨房人员不同速度走动时颗粒物被捕获数量Fig.8 Amount of particulate matter captured by kitchen staff moving at different speeds

由此可以得到,细颗粒物PM2.5及超细颗粒物PM1.0在人员走动影响下被捕获率大致相同,具有基本相同的分布,这说明在厨房人员走动引起的气流变化对于PM1.0、PM2.5颗粒物变化不敏感,这两种粒径颗粒物在扰动气流影响下被排出率基本相同。而PM10的被捕获率与PM1.0、PM2.5有较大差异,说明大粒径颗粒物受人员走动气流影响气流较小。

随着人员走动速度的增加,不同粒径颗粒物的被捕获率均有下降,减少速率也相应加快。这是因为人员走动产生的逆时针涡旋裹挟着油烟颗粒物运动,人员行走速度越快,对于吸油烟机排出颗粒物越不利。由此得出人员走动造成的扰动阻碍油烟颗粒物的排出。